• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.88.2-88.2
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• 2010

고분자전해질연료전지(PEMFC)의 성능은 고분자막의 이온전도도에 따라 큰 영향을 받으며 가습조건에 따라 연료의 수화정도에 비례하여 증가하는 경향을 보인다. 현재 고분자막을 가습하는 방법에는 여러 가지가 있는데, PEMFC에 많이 사용되고 있는 Bubbler 형태의 가습장치는 고온이 필요하며 가습 효율이 수동적인 단점을 가지고 있다. 이에 비해서 막을 이용한 가습방법은 스택의 냉각시스템을 이용하여 가습 시, 별도의 에너지가 필요하지 않다. 이에 본 연구에서는 비교적 저온에서도 가습 효율이 증대하고 시스템 간소화의 장점을 가진 막가습기를 제작하여 고분자전해질 연료전지에서 열 및 습도조절에 대한 효율성을 비교 연구하였다. 막가습기에 사용된 가습막의 두께에 따른 가습도 변화 및 유로 구조에 따른 압력강화를 관찰하였으며 막가습기를 판형 모듈 형태로 제작하여 고분자전해질연료전지에 적용하여 성능을 평가하였다.

• Transactions of the Korean hydrogen and new energy society
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• v.18 no.4
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• pp.439-445
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• 2007

Proton exchange membrane Fuel Cells(PEMFCs) have been spotlighted because of their broad potential application for potable electrical devices, automobiles and residential usages. However, their utilization is limited to low temperature operation due to the electrolyte dehydration at high temperature. High temperature PEMFC operation offers high CO tolerance and easy water management. This review presents development of high temperature($120{\sim}200^{\circ}C$) PEMFC. Especially, PEMFC which is based on acid-doped PBI membrane is discussed.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.135.1-135.1
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• 2010

최근 고온에서 사용 가능한 PEMFC용 고분자전해질 막 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. PEMFC가 고온에서 작동하게 되면 높은 성능과 많은 장점을 갖게 된다. PEMFC를 $100^{\circ}C$ 이상에서 운전하게 될 경우 백금 전극 반응을 향상시켜 고가의 백금 촉매 양을 줄일 수 있게 되고, 수소연료 속에 미량 포함된 CO에 의한 촉매표면 피독현상에 대한 내구성을 높일 수 있어 저 순도 수소연료 사용이 가능해 진다. 또한 가습장치와 수소 연료 개질장치의 부피를 줄일 수 있게 되어 전체적인 PEMFC 시스템이 단순화 된다. 현재 연료전지용 고분자 전해질막으로 DuPont사의 과-불소계 고분자 전해질막인 Nafion$^{(R)}$이 가장 널리 사용되고 있다. Nafion$^{(R)}$은 유연한 분자구조 안에 소수성이 강한 주사슬과 친수성을 나타내는 술폰산이 결합된 곁사슬이 존재하여 술폰화 곁사슬의 클러스터 둘레에는 친수성 영역이 형성이 되기때문에 소수/친수 상 분리가 잘되어 이온 클러스터 형성이 용이하지만 제조비용이 높은 단점을 갖고 있다. 특히, 전해질 막내에서 Bronsted base 역할을 하는 물에 의해 이온전도가 이루어지기 때문에 고온에서는 수분증발로 인해 성능이 급격히 감소된다. 따라서, 본 연구에서는 고온 저가습 조건에서 운전이 가능하고 Nafion이 갖는 문제점을 해결하고자, 내열특성이 뛰어나며 높은 수소이온 전도도 학보가 용이한 Sulfonated Poly(aryl ether)sulfone(SPAES) 고분자 전해질에, 고온에서도 수화성이 유지될 수 있도록 지르코니아를 황산화한 sulfated zirconia(s-$ZrO_2$)를 함침하여 복합 고분자전해질막을 제조하여 고온 저가습 조건에서의 수소이온 전도 특성에 관한 연구를 수행하였다. 개발된 막의 물리/화학적 특성은 water content(Wup%), 이온교환 용량(IEC, meq $g^{-1}$), 수소이온전도도(s $cm^{-1}$) 열 중량 분석(TGA), X선 회절분석(XRD) 등을 통하여 분석 및 관찰하였다. 내화학 및 열적 특성분석 결과, 황산화 반응공정으로 $ZrO_2$에 술폰산기가 안정적으로 결합하고 있음이 관찰되었으며, 본 연구에서 개발된 유 무기 복합막이 $250^{\circ}C$이상 열적안정성을 확보하고 있는 것으로 판단되었다. $100^{\circ}C$ 이하의 저온 영역에서, 일정 비율의 s-$ZrO_2$/SPAES막에서 이온교환용량(IEC)이 순수 SPAES 막보다 낮음에도 불구하고, water uptake가 증가함과 동시에 수소이온 전도도가 향상된 것을 관찰하였다. 또한, 고온에서는 수소이온이 자유롭게 이동할 수 있는 water channel을 형성하는 free water는 증발 하지만 s-$ZrO_2$와 SPAES의 술폰산기 사이에 강력하게 결합하고 있는 bound Water는 $100^{\circ}C$ 이상의 고온 영역에서도 존재하여, 비록 무가습 조건에서도 일정 비율의 s-$ZrO_2$/SPAES50 전해질 막의 경우, 높은 전도도를 나타냄을 관찰할 수 있었다. 따라서 본 연구를 통해 저가습 고온 적용을 목적으로 개발된 s-$ZrO_2$/SPAES50막은 우수한 내열 특성을 나타냄과 동시에 저가습 고온 영역($120^{\circ}C$, $50RH{\downarrow}$)에서 높은 수소이온 전도도를 유지하여, 고온 저가습 연료전지 운전에 적합할 것으로 사료된다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2006.11a
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• pp.399-402
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• 2006

현재까지 연료전지 전해질 막으로는 Nafion으로 잘 알려져 있는 perfluorosulfonic acid(PFSA)막이 주를 이루고 있다. 이 막들은 $80^{\circ}C$ 이하의 낮은 온도의 연료전지에서 가장 좋은 성능을 보인다. PFSA 막들은 탄소-불소로 이루어진 사슬의 특성상 산화, 환원의 조건에서도 뛰어난 안정성을 보이며 이온 전도도가 0.1S/cm 이상으로 기존에 알려진 전해질 막들 중 가장 우수한 성능을 나타낸다. 하지만 연료전지의 작동온도가 $100^{\circ}C$ 이상의 높은 온도에서 는 막에 존재하던 수분이 제거되면서 수소이온 전도도가 떨어지며 기계적 물성도 떨어지는 문제점을나타낸다. $100^{\circ}C$ 이상의 온도에서 연료전지를 작동시키면 양쪽의 전극에서 일어나는 촉매반응의 속도가 향상되며, 물의 끓는점 이상에서 작동되므로, 전지 내에서 다양한 상을 고려하지 않고 기화된 물만을 고려하여 설계를 할 수가 있다. 따라서 최근 이러한 고온/저가습 운전을 위 한 전해질 막의 개발을 위해 기존의 Nafion 막에 전도성 무기 입자를 도입하는 연구들이 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 전도성 무기 입자로서 $ZrO_2$나노입자를 합성하고, 이를 상용 10 wt.% Nafion 용액에 분산하여 solution casting 방법을 통해 $61{\mu}m$ 두께의 유기-무기 복합막을 제조하였다. 제조한 유기-무기 복합막의 성능 평가를 위하여 함수율, 이온 전도도, 당량무게 및 단위 전지를 이용한 전류-전압 곡선을 측정하여 상용 Nafion 112 막과 비교해 보았다. $ZrO_2$ 입자는 전도성이며 동시에 친수성을 나타내기 때문에 상용 막에 비하여 함수율 및 수소이온 전도도가 우수하게 나타났다. 복합막의 이러한 물성은 $100^{\circ}C$이상의 고온에서 전해질 막 내의 물 관리를 용이하게 한다. 단위 전지 운전 온도 $130^{\circ}C$, 상대습도 37%의 운전 조건에서도 상당히 우수한 전지 성능을 보임에 따라 고온/저가습 조건에서 상용 Nafion 112 막보다 우수한 막 특성을 나타냄을 확인하였다.

• Membrane Journal
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• v.16 no.4
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• pp.276-285
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• 2006

Acid-doped sulfonated poly(aryl ether benzimidazole) (S-PAEBI) copolymers were synthesized by a direct polymerization technique and a doping with phosphoric acid as a dopant, and the polymer electrolyte membranes were fabricated from them by a solution casting method. To optimize the reaction condition, the degree of sulfonation and doping level were varied in the ranges of $0{\sim}60%\;and\;0.7{\sim}5.7$, respectively. Physiochemical properties of the doped membranes were investigated by AFM, TGA and the measurement of proton conductivity. It was found that proton conductivities depend on doping levels of membranes. Conductivity determined at the condition of $130^{\circ}C$ and no humidity was $7.3{\times}10^{-2}S/cm$ for the $H_3PO_4$-doped PAEBI membrane with a doping level of 5.7.

• Transactions of the Korean hydrogen and new energy society
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• v.29 no.6
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• pp.578-586
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• 2018

In this study, we prepared the modified PBI random copolymer to reduce the problems of the pristine PBI about low solubility and proton conductivity. The random copolymer was synthesized from suberic acid, 5-aminoisophthalic acid, and 3,3'-diaminobenzidine to obtain $X_1Y_9$, $X_1Y_1$, $X_9Y_1$. Then, the membrane was fabricated by using solvent casting method with methanesulfonic acid at $140^{\circ}C$. Subsequently, the membrane was doped with phosphoric acid at $40^{\circ}C$. The chemical structure of the polymers was characterized by FT-IR. In addition, the physiochemical properties of the PBI were investigated by TGA, oxidative stability, acid uptake. Finally, the proton conductivity was measured at $100-180^{\circ}C$ without humidification. As the result, $X_1Y_9$ PBI random copolymer membrane showed higher conductivity.

• Transactions of the Korean hydrogen and new energy society
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• v.24 no.1
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• pp.50-60
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• 2013

High temperature proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) using phosphoric acid (PA) doped polybenzimidazole (PBI) membranes have been concentrated as one of solutions to the limits with traditional low temperature PEMFCs. However, the amount of reported experimental data is not enough to catch the operational characteristics correlated with cell performance and durability. In this study, design of experiments (DOE) based operational optimization method for high temperature PEMFCs has been proposed. Response surface method (RSM) is very useful to effectively analyze target system's characteristics and to optimize operating conditions for a short time. Thus RSM using central composite design (CCD) as one of methodologies for design of experiments (DOE) was adopted. For this work, the statistic models which predict the performance and degradation rate with respect to the operating conditions have been developed. The developed performance and degradation models exhibit a good agreement with experimental data. Compared to the existing arbitrary operation, the expected cell lifetime and average cell performance during whole operation could be improved by optimizing operating conditions. Furthermore, the proposed optimization method could find different new optimal solutions for operating conditions if the target lifetime of the fuel cell system is changed. It is expected that the proposed method is very useful to find optimal operating conditions and enhance performance and durability for many other types of fuel cell systems.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2009.06a
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• pp.282-285
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• 2009

This study presents preparation and characterization of composite membranes based on ionic liquids. The ionic liquids act as water in sulfonated membranes. On the behalf of ionic conduction through ionic liquid inside the membranes, non-aqueous membranes showed Arrenhius dependence on temperature with no external humidification. It was implied that hopping mechanism of proton was dominant in the ionic liquid based membranes. In addition, small angle X-ray (SAXS) studies provided the information on morphology of ionic clusters formed by the interaction between sulfonic acid groups of the polymers and ionic liquids. The SAXS spectra showed matrix peaks, ionomer peaks and Prodo's law for Nafion based composite membranes and only matrix peaks for hydrocarbon based ones. However, ionic conductivity and atomic force microscopy (AFM) images showed the clear formation of ionic clusters of the hydrocarbon based composite membranes. It implies for ionic liquid based high temperature membranes that it is important to use sulfonated polymers as solid matrix of ionic liquid which can form clear ionic clusters in SAXS spectra.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2009.06a
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• pp.378-378
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• 2009

The ionic liquid-based sulfonated hydrocarbon composite membranes was prepared for use in anhydrous high temperature-polymer electrolyte fuel cells (HT-PEFCs). Ionic liquid behaves like water in the composite membranes under anhydrous condition. However the composite membranes show a low conductivity and high gas permeability as the content of ionic liquid increases due to its high viscosity and content of ionic liquid, respectively. Hence, in order to enhance the proton conductivity and to reduce the gas permeability of the composite membranes with low content of ionic liquids, the acid containing a common ion of ionic liquid was added to the composite membranes. The characterization of composite membranes was carried out using small-angle X-ray scattering (SAXS), thermogravimetric analyzer (TGA) and impedance spectroscopy. As a result, the composite membranes containing acid showed higher proton conductivity than those with no acid under the un-humidified condition due to a decrease in viscosity. In addition, the proton conductivity of composite membranes increased with increasing mole concentration of acid.